充气硬盘磁头滑块飞行特性影响因素研究

摘
要
为了减小磁盘高速旋转所承受的气体阻力、降低硬盘内部结构所承受的气流冲击和振动、以及提高硬盘 存储密度和工作稳定性，人们正考虑向硬盘内部填充低密度气体。充气硬盘还具有存储容量大、节能、 散热性能好等优点。硬盘工作过程中，磁头滑块飞行特性(承载力W、压力中心Xc和Yc)对硬盘工作稳定性 有着重要影响。本文研究了充气气体物理特性、表面粗糙度、磁盘转速、飞行高度和俯仰角对硬盘磁头 滑块飞行特性的影响，研究结果发现：磁盘转速的增加、飞行高度的降低、俯仰角的减小和氦气在氦气–空 气混合气体中的比重(不同气体物理特性)下降，都会导致磁头滑块承载力的增加；磁盘转速的增加、飞 行高度的增加、俯仰角的减小，都会导致压力中心Xc的减小；对于不同的磁盘转速、飞行高度、俯仰角、 氦气在氦气–空气混合气体中的比重，压力中心Yc都几乎保持不变；粗糙度高度(σ)对承载力、压力中心 Xc和Yc的影响，在不同粗糙度方向(γ)时，呈现出不同的影响规律。
2. Reynolds 方程及数值求解
硬盘工作时，磁头滑块飞行在磁盘上方，磁头滑块与磁盘之间的主要参数如图 1 所示。其中，hm 表 示磁头滑块的最小飞行高度。磁头滑块与磁盘之间会形成一层气体润滑膜，在考虑气体稀薄效应和表面 粗糙度情况下，该气体润滑膜的控制方程为修正 Reynolds 方程[18]，其表达式为
Abstract
In order to reduce the gas resistance of the high speed rotating disk and the impact and vibration of internal structure in a hard disk drive (HDD), and improve the storage density and working stability of a HDD, some kinds of gases with a low density are considered to fill inside a sealed HDD. The filled-gas HDD has some advantages of a large capacity, energy saving and heat dissipation performance. In an operating HDD, the flying characteristics of the slider, including the bearing capacity W, the pressure center Xc and Yc, have an important effect on the working stability of the HDD. In present paper, the effects of the gas physical properties filled inside the HDD, surface roughness, disk rotational speed, flying height and pitch angle, on flying characteristics of the slider, are studied. The results show that the W of the slider increases with the increase of the disk rotational speed, the decrease of the flying height, the decrease of the pitch angle and the decrease of proportion of helium gas in a mixed gas. The Xc decreases with the increase of the disk rotational speed, the increase of flying height, the decrease of the pitch angle. For different disk rotational speed, flying height, pitch angle, and proportion of helium gas in a mixed gas, the Yc keeps almost unchanged. For different direction of roughness (γ), the roughness height (σ) has different effect on W, Xc and Yc.
Research on the Influential Factors of Flying Characteristics of a Slider in a Filled-Gas Hard Disk Drive
Tingyi Yang, Xue Bai*, Chuanyi Lv, Qianjian Guo
关键词
磁头/磁盘界面，充气硬盘，磁头滑块，飞行特性，修正Reynolds方程
Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. Thireative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/
P s P 为 Poisson 流和连续流因子， D = ph 2 RT µ (R 为气体常数，T 为特征温度)。此外， ϕ x 、 ϕ y 和 ϕ 的表
达式分别为
Figure 1. Interface of the slider and the disk in a hard disk drive 图 1. 磁头滑块/磁盘界面 DOI: 10.12677/ijfd.2017.53011 93 流体动力学
∂ ∂X ∂ P ∂P P ∂P − Λ x P H + ϕ s H s−01 + Qϕ x Qϕ y =0 X Y ∂ ∂ ∂Y
(
)
(1)
其中， P = p pa 为无量纲压力， pa 为周围环境压力，单位为 Pa。X 和 Y 分别为磁头滑块长和宽方向的无 hm 为磁头滑块尾部与磁盘之间的最小距离(单位： 量纲坐标， H = h hm 为磁头滑块与磁盘之间无量纲距离，
山东理工大学机械工程学院，山东 淄博
*
通讯作者。
文章引用 : 杨廷毅, 白雪, 吕传毅, 郭前建. 充气硬盘磁头滑块飞行特性影响因素研究[J]. 流体动力学, 2017, 5(3): 91-101. DOI: 10.12677/ijfd.2017.53011
杨廷毅 等
收稿日期：2017年7月25日；录用日期：2017年8月15日；发布日期：2017年8月22日
International Journal of Fluid Dynamics 流体动力学, 2017, 5(3), 91-101 Published Online September 2017 in Hans. /journal/ijfd https:///10.12677/ijfd.2017.53011
2 6µUl pa hm m)。 Λ x = 为气膜数， µ 为气体的运动粘度(单位：μN⋅s/m2)，U 为磁盘转速在 X 方向的分量，
= σ l 为磁头滑块长度(单位：m)。 H s 0 = hm σ 为膜厚比，其中
2 σ 12 + σ 2 ， σ 1 和 σ 2 分别为磁头滑块与磁
盘的表面粗糙度，请参考文献[15]和[16]。 Q = Q p ( D, α ) Qcon ( D ) 为流量因子，其中 Q p 和 Qcon = D 6 分别
Keywords
Head/Disk Interface, Filled-Gas Hard Disk Drive, Head Slider, Flying Characteristic, Modified Reynolds Equation
充气硬盘磁头滑块飞行特性影响因素研究
杨廷毅，白 雪*，吕传毅，郭前建
Open Access
1. 引言
当硬盘工作时，磁盘在电机驱动下作高速旋转，且转速越高，磁盘承受的气体阻力就越大。为了减 小磁盘高速旋转所承受的气体阻力， 人们正考虑向硬盘内部填充低密度气体(例如氦气或氦气/空气混合气 体) [1]。同时，填充的低密度气体能降低硬盘内部结构所承受的气流冲击振动，使得磁头滑块具有更好 的飞行特性，从而把磁道设计得更细密，增加硬盘的存储密度。此外，充气硬盘还具有存储容量大、节 能、散热性能好等优点[2]。Bouchard 等[3]最先考虑向密封硬盘中填充气体，通过激光多普勒干涉仪研究 了磁盘振颤幅度，并指出在氦气中磁盘的振颤幅度要比空气中小 30%。受当时硬盘密封技术的影响[4]， 文献[3]的研究工作没有引起人们足够重视。 直到最近， Zhou 等[5]研究了各种气体对硬盘磁头滑块飞行特 性的影响， 指出氦气硬盘在密封和非密封环境中， 磁头滑块的飞行高度(磁头磁盘间隙)变化幅度都要小于 其他气体。Liu 等[6] [7]研究了氦气–空气混合气体对磁头滑块飞行高度的影响，随着氦气在混合气体中 比例增加，磁头滑块飞行高度逐渐增加，达到最大值后，又逐渐减小，这说明了飞行高度与氦气在混合 气体中的比例为非线性关系。Aruga 等[8]研究了硬盘在氦气和空气环境下的机械振动，指出了高转速情 况下气流诱导振动是导致硬盘振动的主要原因，并且氦气中硬盘的振动幅度要远小于空气中相同情况下 硬盘的振动幅度，从而使得氦气硬盘的定位精度比空气硬盘提高了一倍。通过实验和数值模拟的方法， Kil 等[9] [10]研究了在氦气和空气环境中磁头滑块周围的湍流强度， 结果表明磁头滑块在氦气环境中湍流 强度较小，从而由湍流引起的振动幅度也比较小。然而，在磁盘转速较高的情况下，氦气流过手臂圆孔 结构周围会引起较大的湍流强度，但是，因为氦气密度较小，最终引起的振动幅度仍然小于空气引起的 振动幅度[11]。从这些研究结果可以看出，填充气体会对硬盘磁头滑块飞行特性产生重要影响。